Diseño de un dispositivo para la conversión energética de recursos eólicos del departamento del Tolima por medio de vibraciones inducidas por vórtices

Con el objetivo de proponer un dispositivo mecánico de generación de energía que opera por vibraciones inducidas por vórtices y con los recursos eólicos disponibles en el Tolima, en este trabajo se estudia una nueva configuración compuesta por una lámina ubicada aguas abajo de un cilindro circular....

Full description

Autores:
Oostra Guerrero, Andrés
Zuluaga Osorio, John Sebastián
Ricardo Reyes, Santiago José
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2022
Institución:
Universidad de Ibagué
Repositorio:
Repositorio Universidad de Ibagué
Idioma:
spa
OAI Identifier:
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Acceso en línea:
https://hdl.handle.net/20.500.12313/5004
Palabra clave:
Conversión energetica - Diseño de dispositivo - Recursos eólicos
Conversión energetica - Modelos y procesos
Optimización
CFD
Aerogenerador
Vórtices de Von Kármán
Optimization
CFD
Wind harvester
Von Kármán Vortex
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description Con el objetivo de proponer un dispositivo mecánico de generación de energía que opera por vibraciones inducidas por vórtices y con los recursos eólicos disponibles en el Tolima, en este trabajo se estudia una nueva configuración compuesta por una lámina ubicada aguas abajo de un cilindro circular. Esto es desarrollado por medio de un análisis CFD, donde se validan diferentes modelos de turbulencia, y un proceso de optimización basado en un modelo de regresión de Kriging que permite identificar la configuración de cilindro y lámina con mejor desempeño aerodinámico. En base a la configuración óptima encontrada se propone el diseño conceptual de un dispositivo mecánico, cuya capacidad de generación de energía eléctrica es evaluada mediante modelamiento numérico. Finalmente, de los resultados se observa que la nueva configuración es capaz de incrementar el valor del coeficiente de sustentación en 68,5%, permitiendo un diseño conceptual en capacidad de generar 5,24 W.
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spelling Materano Blanco, Gilberto Ignacio27a9aaf1-adbf-49f2-93a7-d1e408647b3a-1Oostra Guerrero, Andrésc312ca30-5423-4b31-80e9-a109ca9ac1e1-1Zuluaga Osorio, John Sebastiánd4ed9d52-f979-4f94-9c3e-5c0cc36f3960-1Ricardo Reyes, Santiago Joséa61a9907-d5b3-48b9-a6a2-fc811b228d0c-12025-04-09T20:24:25Z2025-04-09T20:24:25Z2022Con el objetivo de proponer un dispositivo mecánico de generación de energía que opera por vibraciones inducidas por vórtices y con los recursos eólicos disponibles en el Tolima, en este trabajo se estudia una nueva configuración compuesta por una lámina ubicada aguas abajo de un cilindro circular. Esto es desarrollado por medio de un análisis CFD, donde se validan diferentes modelos de turbulencia, y un proceso de optimización basado en un modelo de regresión de Kriging que permite identificar la configuración de cilindro y lámina con mejor desempeño aerodinámico. En base a la configuración óptima encontrada se propone el diseño conceptual de un dispositivo mecánico, cuya capacidad de generación de energía eléctrica es evaluada mediante modelamiento numérico. Finalmente, de los resultados se observa que la nueva configuración es capaz de incrementar el valor del coeficiente de sustentación en 68,5%, permitiendo un diseño conceptual en capacidad de generar 5,24 W.In order to propose a mechanical power generating device which operates by vortex induced vibrations and with the wind resources available in Tolima, this research studies a new configuration composed by a plate located downstream of a circular cylinder. This is developed through a CFD analysis, where different turbulence models are validated, and an optimization process based on a Kriging regression model that allows the identification of the cylinder and plate configuration with better aerodynamic performance. Based on the optimal configuration found, the conceptual design of a mechanical device is proposed, whose capacity of energy generation is evaluated through numerical modelling. Finally, from the findings it can be observed that the new configuration is capable of increasing the value of lift coefficient by 68,5%, allowing a conceptual design capable of generating 5,24 W.PregradoIngeniero MecánicoIntroducción.....1 Objetivos.....3 1.1 Objetivo general.....3 1.2 Objetivos específicos.....3 Capítulo 1 – Marco teórico.....4 1.1 Viento y características.....4 1.2 Dinámica de fluidos computacional (CFD).....6 1.3 Modelos de simulación: Laminar, DES y LES.....6 1.4 Malla.....8 1.5 Condiciones de frontera y borde.....9 1.6 Hipercubo latino.....10 1.7 Regresión por Kriging.....10 1.8 Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV).....11 1.9 NRMSE.....12 1.10 Análisis dimensional.....13 1.10.1 Coeficiente de sustentación (Cl).....13 1.10.2 Número de Reynolds (Re).....13 1.10.3 Número de Strouhal (St).....14 1.10.4 Número de Courant (Co).....14 1.10.5 Coeficiente de potencia (Cp).....14 1.11 Vorticidad y circulación.....15 1.12 Vórtices de Von Kármán.....16 1.13 Vibraciones.....16 1.14 Amortiguamiento eléctrico.....17 Capítulo 2 – Caracterización del viento en el Tolima.....18 2.1 Estimación real de la velocidad de trabajo.....21 2.2 Propiedades físicas del fluido de trabajo.....23 2.3 Selección del diámetro del cilindro.....23 Capítulo 3 – Análisis de modelos CFD.....25 3.1 Modelo laminar.....26 3.2 Large Eddy Simulation 2D.....30 3.3 Detached Eddy Simulation.....36 3.4 Large Eddy Simulation 3D.....40 Capítulo 4 - Proceso de optimización.....48 Capítulo 5 – Diseño de dispositivo mecánico.....54 5.1 Especificaciones del diseño.....54 5.2 Descripción de alternativas.....54 5.3 Modelamiento numérico.....55 5.4 Evaluación de alternativas.....56 Capítulo 6 - Conclusiones y recomendaciones.....59 6.1 Conclusiones.....59 6.2 Recomendaciones.....60 Referencias bibliográficas.....61154 páginasapplication/pdfOostra Guerrero, A.; Zuluaga Osorio, J.S.; Ricardo Reyes, S.J. (2022). Diseño de un dispositivo para la conversión energética de recursos eólicos del departamento del Tolima por medio de vibraciones inducidas por vórtices. [Trabajo de grado, Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/5004https://hdl.handle.net/20.500.12313/5004spaUniversidad de IbaguéIngenieríaIbaguéIngeniería MecánicaAballe, A. B. D., Cruz, K. Y. C., Rosa, V. J. H. D., Magwili, G. V., & Ostia, C. F. (2020). Development of a Linear Generator With Spring Mechanism for Vortex Bladeless Wind Turbine. 2020 IEEE 12th International Conference on Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment, and Management (HNICEM), 1-6. https://doi.org/10.1109/HNICEM51456.2020.9399999Akilli, H., Sahin, B., & Filiz Tumen, N. (2005). Suppression of vortex shedding of circular cylinder in shallow water by a splitter plate. Flow Measurement and Instrumentation, 16(4), 211-219. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2005.04.004Anderson, J. D. 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